此文仅用于MOOCLinux内核分析作业

task_struct数据结构

根据wiki的定义,进程是计算机中已运行程序的实体。在面向线程设计的系统(Linux 2.6及更新的版本)中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。

A computer program is a passive collection of instructions; a process is the actual execution of those instructions. Several processes may be associated with the same program; for example, opening up several instances of the same program often means more than one process is being executed.

在Linux中,task_struct其实就是通常所说的PCB。该结构定义位于:

/include/linux/sched.h

task_struct比较庞大,大致可以分为几个部分:

进程状态(State)

进程调度信息(Scheduling Information)

各种标识符(Identifiers)

进程通信有关信息(IPC：Inter_Process Communication)

时间和定时器信息(Times and Timers)

进程链接信息(Links)

文件系统信息(File System)

虚拟内存信息(Virtual Memory)

页面管理信息(page)

对称多处理器(SMP)信息

和处理器相关的环境(上下文)信息(Processor Specific Context)

其它信息

其中比较重要的几个参数:

volatile long state;进程状态,可见/include/linux/sched.h文件中的宏,TASK_RUNNING等

unsigned int rt_priority;实时优先级

unsigned int policy;调度策略

pid_t pid;进程标识符

struct task_struct __rcu *real_parent;real parent

struct list_head children;list of my children

struct files_struct *files;系统打开文件

分析内核处理过程sys_clone

fork、vfork和clone三个系统调用实际上都是通过do_fork来实现进程的创建.

见如下语句:

return do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr);

do_fork 函数

而do_fork函数真正实现复制是copy_process

long do_fork(unsigned long clone_flags,

unsigned long stack_start,

unsigned long stack_size,

int __user *parent_tidptr,

int __user *child_tidptr)

{

...

p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,

child_tidptr, NULL, trace);

...

}

copy_process函数

copy_process()主要完成进程数据结构，各种资源的初始化。

p = dup_task_struct(current);

(省略的IF语句)检查clone_flags参数,防止无效的组合进入

p = dup_task_struct(current);调用dup_task_struct()为新进程创建一个内核栈

判断权限及允许范围的代码

对子进程的描述符初始化和复制父进程的资源给子进程

- `retval = sched_fork(clone_flags, p);`完成调度相关的设置，将这个task分配给CPU

- `if (retval)`语句群,复制共享进程的的各个部分

- `retval = copy_thread(clone_flags, stack_start, stack_size, p);`复制父进程堆栈的内容到子进程的堆栈中去.这其中,copy_thread()函数中的语句`p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;`决定了新进程的**第一条指令地址**.

dup_task_struct()

static struct task_struct *dup_task_struct(struct task_struct *orig)

{

struct task_struct *tsk;

struct thread_info *ti;

int node = tsk_fork_get_node(orig);

int err;

tsk = alloc_task_struct_node(node);

if (!tsk)

return NULL;

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);

if (!ti)

goto free_tsk;

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);

if (err)

goto free_ti;

tsk->stack = ti;

# ifdef CONFIG_SECCOMP

tsk->seccomp.filter = NULL;

# endif

setup_thread_stack(tsk, orig);

clear_user_return_notifier(tsk);

clear_tsk_need_resched(tsk);

set_task_stack_end_magic(tsk);

# ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR

tsk->stack_canary = get_random_int();

# endif

atomic_set(&tsk->usage, 2);

# ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE

tsk->btrace_seq = 0;

# endif

tsk->splice_pipe = NULL;

tsk->task_frag.page = NULL;

account_kernel_stack(ti, 1);

return tsk;

free_ti:

free_thread_info(ti);

free_tsk:

free_task_struct(tsk);

return NULL;

}

tsk = alloc_task_struct_node(node);为task_struct开辟内存

ti = alloc_thread_info_node(tsk, node);ti指向thread_info的首地址，同时也是系统为新进程分配的两个连续页面的首地址。

err = arch_dup_task_struct(tsk, orig);复制父进程的task_struct信息到新的task_struct里, (*dst = *src;)

tsk->stack = ti;task的对应栈

setup_thread_stack(tsk, orig);初始化thread info结构

set_task_stack_end_magic(tsk);栈结束的地址设置数据为栈结束标示(for overflow detection)

gdb跟踪sys_clone

用GDB来跟踪sys_clone,设置以下断点:

fork1.png

运行后首先停在sys_clone处:

然后是do_fork,之后是copy_process:

fork3.png

进入copy_thread:

fork4.png

在copy_thread中,我们可以查看p的值

fork5.png

但是回到copy_process后再查看,将得到一个value optimized out的提示,这是因为Linux内核打开gcc的-O2选项优化导致.如果想要关掉,可以参考:这里

fork6.png

ret_from_fork按照之前的分析被调用,跟踪到syscall_exit后无法继续.如果想在本机调试system call，那么当你进入system call时，系统已经在挂起状态了。如果想要跟踪调试system_call,可以使用kgdb等

fork7.png

新进程是从哪里开始执行的？

在之前的分析中,谈到copy_process中的copy_thread()函数,正是这个函数决定了子进程从系统调用中返回后的执行.

int copy_thread(unsigned long clone_flags, unsigned long sp,

unsigned long arg, struct task_struct *p)

{

...

*childregs = *current_pt_regs();

childregs->ax = 0;

if (sp)

childregs->sp = sp;

p->thread.ip = (unsigned long) ret_from_fork;

...

}

子进程执行ret_from_fork

ENTRY(ret_from_fork)

CFI_STARTPROC

pushl_cfi %eax

call schedule_tail

GET_THREAD_INFO(%ebp)

popl_cfi %eax

pushl_cfi $0x0202 # Reset kernel eflags

popfl_cfi

jmp syscall_exit

CFI_ENDPROC

END(ret_from_fork)

执行起点与内核堆栈如何保证一致?

在ret_from_fork之前,也就是在copy_thread()函数中*childregs = *current_pt_regs();该句将父进程的regs参数赋值到子进程的内核堆栈,

*childregs的类型为pt_regs,里面存放了SAVE ALL中压入栈的参数

故在之后的RESTORE ALL中能顺利执行下去.

总结

Linux通过复制父进程来创建一个新进程,通过调用do_fork来实现

Linux为每个新创建的进程动态地分配一个task_struct结构.

为了把内核中的所有进程组织起来，Linux提供了几种组织方式，其中哈希表和双向循环链表方式是针对系统中的所有进程(包括内核线程)，而运行队列和等待队列是把处于同一状态的进程组织起来

fork()函数被调用一次，但返回两次

参考